十字路口的交通灯控制电路设计

十字路口的交通灯控制电路设计摘要本论文主要阐述了交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。以下就交通灯控制系统的电路原理、设计和实验调试等问题来进行具体分析讨论。关键词：交通灯自动控制定时准确报警高速目录一、对交通信号灯的控制················31．1题目要求····················3二、交通灯的组成···················42．1交通灯控制系统的原理框图············42．2交通灯运行状态·················52．2．1一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程··5三、单元电路的设计··················83．1秒脉冲发生器··················83．2定时器·····················93．3控制器····················113．4译码器····················133．5交通信号灯··················153．6整个交通灯控制系统的布局···········15四、PCB的制作···················154．1原理图的绘制·················164．2PCB的排线··················16五、焊接技术····················165.1导线的焊接···················165．1．1焊接操作姿势与卫生···········175．1．2焊接的基本操作·············175．2印制电路板的焊接···············205．3焊后处理···················21六、仿真过程与效果分析···············216．1电路试调···················216．1．1调试前的检查··············226．2调试中注意的事项···············236．3通电后的测试·················246．4操作说明···················25七、元器件清单···················26八、结束语·····················26九、谢词····················28十、参考文献····················28一、对交通信号灯的控制1．1题目要求1.信号灯收一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。2.南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应该关闭信号灯系统，并报警。3.南北红灯亮维持25s，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮并维持20s，到20s时东西绿灯闪烁，闪烁3s后熄灭。在东西绿灯熄时，东西黄灯亮，并维持2s，到2s时，东西黄灯灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。4.东西红灯亮维持30s，南北绿灯维持25s，然后闪烁3s熄灭，同时南北黄灯亮，维持2s后熄灭。这时南北红灯亮，东西绿灯亮。5.周而复始。二、交通灯的组成2．1交通灯控制系统的原理框图如图2、1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：TL:表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。图2、1交通灯控制系统的原理框图2．2交通灯运行状态两方向车道的交通灯的运行状态共有4种(因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的,所以不考虑)，如图2、2所示图2、2两方向车道的交通灯的运行状态2．2．1一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程（1）如图2、2状态0所示，甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。（2）如图2、2状态1所示，甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（3）如图2、2状态2所示，甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（4）如图2、2状态3所示，甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到工作状态1。交通灯以上4种工作状态的转换由控制器进行控制。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如下表2.2.1所示。控制器状态信号灯状态车道运行状态S0（00）S1（01）S2（11）S3（10）甲绿，乙红甲黄，乙红甲红，乙绿甲红，乙黄甲车道通行，乙车道禁止通行甲车道缓行，乙车道禁止通行甲车道禁止通行，乙车道通行甲车禁止道通行，乙车道缓行表2.2.1控制器工作状态及其功能控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：AG=1：甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；AR=1：甲车道红灯亮；BR=1：乙车道红灯亮；由此得到交通灯的ASM图，如图2、3所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。图2、3交通灯控制器的ASM三、单元电路的设计3．1秒脉冲发生器脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐震荡器，震荡频率为：f=1.43/(R1+2R2)C电路图如图3、1所示：图3、1秒脉冲产生器3．2定时器定时器由与系统秒脉冲（由上面时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的外引线排列图和时序波形图如图3、2和图3、3所示，其功能表如表3、1所示。图中，是低电平有效的同步清零输入端，是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT是计图12、2交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图3、4所示。图3、274LS163的外引线排列图图3、374LS163时序波形图表3、174LS163功能表图3、4定时器电路图3．3控制器控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表3、2所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1＝00状态时，如果TL＝0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。表3、2控制器状态转换表根据表3、2可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中1用原变量表示，0用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：根据以上方程，选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（Q1n、Q0n）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。控制器的逻辑图如图3、5所示。图中R、C构成上电复位电路。图3、5控制器逻辑图3．4译码器译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表3、3所示。表3、3控制器状态编码与信号灯关系表状态AGAYARBGBYBR00100001010100011000110011001010由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CP脉冲，一部分送给了定时器的74LS163芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS00将会输出TY、T/Y/；TL、T/L/、即TY和T/Y/放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和T/L/放大的结果是秒脉冲的25倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY、T/Y/；TL、T/L/分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CP脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS00组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。图3、6译码器部分的逻辑图3．5交通信号灯六个发光二极管(注意二极管的极性)3．6整个交通灯控制系统的布局见附件四、PCB的制作4．1原理图的绘制把副表的原理图在Protel2004中绘制出来。4．2PCB的排线五、焊接技术5.1导线的焊接导线焊接在电子产品装配中占有重要位置。实践中发现，出现故障的电子产品中，导线焊点的失效率高于印制电路板，有必要对导线的焊接工艺给予特别的重视。5．1．1焊接操作姿势与卫生焊剂挥发出的化学物质对人体有害的，如果操作时鼻子距烙铁头太近，则很容易将有害气体吸入。一般烙头距鼻子至少不少于30cm，通常400cm以上为宜。电烙铁拿法有几种，一般在操作台上焊接电路板时多采用握笔法。使用烙铁要配置烙铁架，电烙铁使用之后要稳妥放于烙铁架上，注意导线等物不要碰触烙铁头。由于焊锡丝成分中，铅占一定比例，众所周知铅是对人体有害的重金属，因此操作时应戴手套或操作后洗手，避免将其食入。5